Érbio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4192 (2023) Citar este artigo

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O desenvolvimento de materiais de constante dielétrica para aplicações de armazenamento de energia está em alta demanda. A dopagem de zirconato de chumbo e titanato de zirconato de chumbo com filmes finos de érbio e dispositivos baseados em massa com constante dielétrica variante foram criados neste trabalho. Filmes finos de Pb (0,9) -Er0,01Zr (0,09) (PEZ) e Pb0,9-Er0,01-Zr0,045-Ti0,045 (PEZT) foram produzidos em um substrato de vidro usando uma técnica de lâmina raspadora sol-gel em temperatura baixa. Difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de elétrons (ED) foram utilizadas para examinar a estrutura dos nanocristais produzidos. Os filmes PEZ e PEZT tinham nanocristais com tamanho de 9,5 nm e 15 nm, respectivamente, enquanto os nanobastões PEZ e PEZT tinham 455 ± 5 nm de comprimento e 45 ± 1 nm de diâmetro. Os resultados de TEM e XRD foram completamente consistentes em termos de tamanho de partícula. Descobriu-se que as propriedades ferroelétricas e as características dielétricas dependem da frequência. Experimentos dielétricos revelaram que a constante dielétrica estava diminuindo para amostras a granel em comparação com amostras de filme. A eficiência de armazenamento de energia dos filmes PEZ foi de aproximadamente 66,01% e 67,8% para PEZT. A polarização residual dos filmes PEZ e PEZT dopados com Er foi a mais alta, atingindo 36,25 μC/cm2 e 69,79 μC/cm2, respectivamente, e os campos coercitivos foram 43 kV/cm e 45,43 kV/cm, respectivamente. Por outro lado, as amostras a granel PEZ e PEZT apresentaram polarizações residuais de 27,15 μC/cm2 e 37,29 μC/cm2, respectivamente, enquanto apresentavam campos coercitivos de 32,3 kV/cm e 39,3 kV/cm, respectivamente. Verificou-se que as amostras (PEZ) e (PEZT) podem ter uso potencial em aplicações de armazenamento de energia.

Pesquisadores locais e internacionais têm prestado muita atenção à pesquisa e preparação de filmes PZT nos últimos anos. De acordo com Da Chen et al., os filmes finos ferroelétricos de PZT têm aplicações significativas que vão desde sistemas de transporte e redes de energia elétrica até dispositivos médicos; como marca-passos artificiais. Devido às suas excelentes características dielétricas e ferroelétricas, ajuste flexível da composição e técnica de preparação madura, o filme fino de titanato de zirconato de chumbo (PZT) tem sido amplamente utilizado em optoeletrônica e outros sensores . Sputtering, hidrotérmica, deposição de laser pulsado, deposição química de vapor e técnicas sol-gel são as formas mais comuns de produção de filmes PZT. Além disso, a técnica sol-gel é agora a mais popular devido à sua operação simples, baixo custo, composição consistente e facilidade de aplicação de dopagem de elementos . A maioria dos pesquisadores concentrou-se recentemente em materiais PZT com uma relação Zr/Ti de 52/48. No entanto, alterar a relação Zr/Ti usando uma única técnica não pode atender aos requisitos de aplicação dos materiais PZT6. A dopagem de La, Gd, Nd, Nb e Pr em filmes de PZT pode melhorar suas características dielétricas e ferroelétricas . A maioria das pesquisas concentrou-se em cerâmicas a granel antiferroelétricas (AFE) e filmes finos10,11,12,13,14. Por exemplo, os filmes de (PbZrO3) (PZ) e (PbZrO3TiO2) (PZT) tinham 35,15 J/cm3 e 65,8% para (PZ) e 68,25 J/cm3 e 66,6% para (PZT)1, enquanto os filmes de PbZrO3 (PZ) tinham densidade de armazenamento de energia de 16,8 Jcm3 e eficiência de 69,2%15. As cerâmicas são difíceis de adquirir alta densidade de armazenamento de energia e são inadequadas para capacitores de armazenamento de energia reais devido à baixa resistência à ruptura (BDS), grande volume geral e incompatibilidade com a tecnologia de semicondutores . Foi observado que a dopagem de elementos é mais eficaz na melhoria das propriedades de armazenamento de energia dos materiais AFE do que os filmes não dopados . Os filmes de PbZrO3 dopados com Sr tiveram uma densidade de armazenamento de energia de 14,5 Jcm3, que foi maior que os 13,3 Jcm3 dos filmes de PbZrO3 . Além disso, os materiais AFE dopados com La3 + apresentam maior estabilidade na fase AFE, o que é benéfico para o desempenho do armazenamento de energia.